0 引言
1 主要技术指标
时间统一装置主要技术指标包含授时模块、触发端口、输出端口、内部时基和电源等部分。技术指标如下:
1)授时精度:20 ns
2)锁时精度:优于1 μs
3)触发方式:通断、断通、TTL、28 V
4)输出方式:通断输出、断通输出、TTL
5)供电方式:内部锂电池
6)工作温度:-20~50 ℃
2 工作原理
时间统一装置主要由信号调理模块、单稳态模块、授时模块、单片机、CPLD信号处理模块和LCD2004A显示模块等组成。工作原理见图1。
授时模块[6]为时间统一装置提供UTC时间信息和PPS秒脉冲,利用内部单片机电路和CPLD电路分别对时间信息解读和秒信号进行处理;当外部触发信号到来时,锁定当前时间信息和秒时刻并利用LCD进行显示。
工作流程如下:
1)单片机接收卫星模块串口TXD1发送的信息并解析,当接收卫星有效数量大于5时,单片机控制LCD2004A显示当前卫星数量和时、分、秒时间信息,点亮TB-LED指示灯。
2)时间统一装置接收到外部的触发(启动)信号后,经信号调理和单稳态电路处理,对外输出2路通断、2路断通和2路TTL信号共6路。
3)当触发信号到来时,Stop跳变为低电平,即关闭计数器脉冲,6位同步计数器锁定当前微秒时刻x μs,微秒数据通过串口模块以9 600波特率传给STC单片机的串口2。
4)单片机收到CPLD发送的trg触发信号后,控制LCD2004A显示当前为锁定状态和锁定的时、分、秒、微秒时间信息,单片机将时间信息处理后,在LCD2004A上显示了触发时刻的时、分、秒、微秒信息。
3 电路和时序设计
3.1 卫星授时模块
时间统一装置内部为一款高性能BDS/GNSS 全星座定位授时模块[6],采用低功耗AT6558芯片,支持BDS、GPS、GLONASS和GALILEO等多种卫星导航系统。
卫星授时模块的应用电路如图2所示。模块输出精确秒脉冲PPS,脉冲上升沿与UTC时间对齐。设计时采用单片机异步串行通信方式与卫星授时模块进行信息交换。卫星授时模块输出兼容国际标准NMEA0183 协议。
设计中只读取输出$GNGGA信息。该语句包含时间、纬度、经度、卫星数量、速度、高程等信息。
3.2 单片机数据解析
利用STC15L2K60S2单片机串口接收卫星授时模块发送的信息,提取出时间、状态和卫星数量等10位数据。LCD2004A的显示效果见图3。可以读出当前时间为11时、 56分、 53秒;卫星模式为1(差分状态);接收到有效卫星数量为8颗;时统装置处于同步状态。
单片机数据解析$GNGGA 信息的中断子函数如下:
void RECEIVE_DATA(void) interrupt 4 using 3
{unsigned char temp=0; ES=0;
temp=SBUF;
RI=0;
LED1=~LED1;
if(temp == '$')
{RX_Count=0;
Flag_GPS_OK=0;
}RX_Buffer[RX_Count++]=temp;
if(RX_Count >= 68)
{RX_Count=68;
Flag_GPS_OK=1;
}ES=1;
3.3 CPLD内部逻辑控制单元
CPLD作为控制核心,负责PPS信号处理及锁时时刻获取。CPLD在接收到单片机发送来的同步信号后,打开与门使GPS-PPS信号通过,该信号进一步处理,输出稳定的内部PPS信号;因此当时间统一装置同步一次后,即使出现卫星接收机短时失步,内部PPS信号也可保证时间统一。由于设计采用的晶体振荡器为0.1PPM,因此在失步大于10 s以内时,同步误差也能小于1 μs。图4为PPS处理电路。
3.4 锁时电路设计
3.5 低功耗设计
时间统一装置主要工作在野外试验场地,一般由电池供电,因此在设计中进行低功耗设计。
主要工作核心电路和显示期间均选取3.3 V低电压、低功耗器件:如MCU选用了STC公司低功耗处理器STC15L2K60S2单片机;控制器选用EPM570;显示器件选用LCD2004A;晶体振荡器选用TCXO温补型。在设计中对于未使用单片机I/O口均采用Input和pull-up模式,其单端口电流消耗仅为0.4 μA;因此电路总电流约120 mA。经实测采用3.7 V/2 600 mAH的锂电池供电,连续工作时间大于10 h。
4 检测与验证
5 结论
严格统一的时间基准是多数据综合测试任务中至关重要的参数之一。从靶场测试实际出发,基于时间统一装置的主要功能和技术指标要求,对卫星授时、CPLD内部逻辑控制、STC单片机数据解析、锁时及低功耗等模块进行优化设计,研制了一种小型、低功耗的靶场时间统一装置。该装置经检验,锁时误差仅为0.5 μs。在靶场外场使用内部电池的情况下,可连续工作10 h以上,且能够可靠触发连接的高速录像和区截速度测量设备。各项指标均满足设计要求,具有良好的应用前景。